不同原料環(huán)保酵素對土壤全氮影響的試驗研究

佟玉潔

(天津職業(yè)大學生物與環(huán)境工程學院，天津 300000)

1 概述

泰國樂素昆博士(Dr. Rosukon Poompanvong)將新鮮水果和蔬菜的廢棄物經厭氧發(fā)酵制成環(huán)保酵素[1]，也被稱為“垃圾酶”(Garbage Enzyme)。環(huán)保酵素含有多種活性酶和微生物群落[2]。環(huán)保酵素的制作過程簡單易得，廣泛應用于家居環(huán)境，特別是在東南亞地區(qū)和日本[3]。利用廚余鮮垃圾制作環(huán)保酵素既經濟又對環(huán)境友好，因此也被稱為“廚房的公益”。關于環(huán)保酵素對土壤的影響作用，國內有其對土壤有效氮、全氮和有機質，以及鉀元素的影響研究[4-5]。有報道殘余農藥被環(huán)保酵素降解[6]，也有研究表明環(huán)保酵素可提高土壤肥力，并發(fā)現在試驗土樣中存在更多的蚯蚓[7-9]。

土壤氮元素含量是土壤養(yǎng)分的重要部分。土壤養(yǎng)分指土壤提供植物生長所必需的營養(yǎng)元素，主要取決于土壤含有的礦物質及有機質，包括有機質、氮、磷,以及鉀、硫、鐵、鎂等物質。土壤中的氮元素含量稱為全氮，全氮包括有機氮和無機氮。無機態(tài)氮約占全氮量的5%，可以被植物吸收利用；其余的有機氮被微生物礦化分解后，才能被植物利用。不同于環(huán)保酵素在實際制作中的混合發(fā)酵，研究采用不同果蔬皮分別發(fā)酵制作環(huán)保酵素，以比較其對土壤全氮含量的作用；并進一步分析冰箱存放對其提高土壤全氮含量的影響。

2 研究方法

2.1 環(huán)保酵素制作

選擇新鮮蔬果皮為蘋果皮、火龍果皮和蔬菜皮(茄子皮和胡蘿卜皮)，切成塊狀置于容器內。將紅糖、鮮蔬果皮、水(蒸餾水)，比例為1 ∶3 ∶10(重量比)混合置于容器中，發(fā)酵3個月至6個月。在發(fā)酵過程的最初1個月，需每天開瓶蓋放氣；之后，視氣體量多少，逐漸減少開蓋頻率至完全沒有氣體產生，將其放置陰涼處。以火龍果為例，在第10周時，開蓋已基本無氣體放出；將其置于陰涼處至6個月。第1周至第10周的觀察如下：

(1)第1周～5周，需每天開蓋放氣，氣味輕微刺鼻，混合液顏色逐漸變紅。

(2)第6周，開蓋時仍有氣體，氣味濃郁香味，混合液呈火龍果皮色。

(3)第7周，開蓋時氣體量有所減少，氣味中略有酸味，顏色無明顯變化。

(4)第8周，開蓋時氣體量繼續(xù)減少并維持穩(wěn)定，有明顯的發(fā)酵酸味，混合液顏色逐漸變深。

(5)第9周，開蓋時有微弱氣體產生，其它方面與第8周相比無變化。

(6)第10周，開蓋時基本無氣體產生，其它方面與第9周相比無變化。

發(fā)酵成功的環(huán)保酵素成品無異味，溶液顏色清透不渾濁，原料沉淀在底部，無腐爛跡象。不同原料制得的環(huán)保酵素成品的感官特征具有各自的特點(表1)。

表1 不同原料制作的環(huán)保酵素成品特征Tab.1 Characteristics of garbage enzyme made from different raw materials

2.2 土樣采集

試驗用土樣采自校外河岸土，采樣方法為網格法，采樣深度為10 cm。采樣后將土樣放在陰涼通風的地方風干，將其置于5個長、寬、高均為7 cm的透氣塑料花盆中(分別編號0、1、2、3、4)。

2.3 試驗方法

試驗編號0、1、2、3、4(表1)；分別為對照組、蘋果皮酵素(發(fā)酵6個月)、火龍果皮酵素(發(fā)酵6個月)、蔬菜皮酵素(發(fā)酵6個月)、蔬菜皮酵素(發(fā)酵6個月后，置于冰箱保存1 a)。用紗布過濾環(huán)保酵素，分別取0.5 mL的4種環(huán)保酵素置于4個錐形瓶中，加蒸餾水500 mL，使環(huán)保酵素與水的體積比為1 ∶1 000。0組為對照，僅用蒸餾水澆灌土樣。用上述編號澆灌編號0、1、2、3、4組的試驗土樣。試驗時間為 28 d，每次的澆灌體積為20 mL， 2 d澆灌1次土壤。在每周的固定時間測定全氮，全氮測定方法為《土壤質量 全氮的測定 凱氏法》(HJ 717—2014)[10]。

2.4 儀器和試劑

凱氏法測氮的試驗儀器包括：研磨機，玻璃研缽；土壤篩：孔徑2.0 mm、0.25 mm；分析天平：精度為0.000 1 g和0.001 g；帶孔專用消解器或電熱板；凱氏氮蒸餾裝置；凱氏氮消解瓶(50 mL)；酸式滴定管(25 mL)；錐形瓶(250 mL);小花盆(長、寬、高均為7 cm)。

試劑包括：無氨水、濃硫酸(優(yōu)級純)、濃鹽酸、高氯酸、無水乙醇、硫酸鉀、五水合硫酸銅、二氧化鈦(優(yōu)級純)、五水合硫代硫酸鈉、氫氧化鈉(優(yōu)級純)、硼酸(優(yōu)級純)、無水碳酸鈉(基準試劑)、催化劑；還原劑、10 mol/L氫氧化鈉溶液、硼酸溶液(2%)、碳酸鈉標準溶液(0.050 0 mol/L)、甲基橙指示劑(0.5 g/L)、鹽酸標準貯備溶液(0.05 mol/L)、鹽酸標準溶液(0.01 mol/L)、混合指示劑。

3 結果與分析

各種蔬果皮發(fā)酵后的混合液呈酸性。大腸桿菌Escherichiacoli和總大腸菌群totalcoliform未被檢出。大腸桿菌和總大腸菌群是檢測樣品是否被污染的重要指標[2]，表明自制環(huán)保酵素在制作過程中未被污染。

試驗土樣全氮背景值是1.78 g/kg。試驗結果表明：除對照組，所有試驗土樣的全氮含量均高于試驗土樣全氮背景值(圖1)。隨著灌溉時間的增長，1組～4組試驗土樣的全氮含量均逐漸增加，而且在3周后明顯增長，并于灌溉4周后達到最大值，分別為4.02 g/kg,4.53 g/kg，3.05 g/kg和4.72 g/kg；均大于對照土樣4周后的全氮含量(1.76 g/kg)，說明環(huán)保酵素稀釋液澆灌土壤可有效提高土壤全氮含量。

圖1 不同原料和保存期環(huán)保酵素澆灌土壤全氮含量變化圖Fig.1 Total nitrogen variation of soil irrigated by garbage enzyme made by various materials with different storage time

發(fā)酵后6個月的蘋果皮、火龍果皮和蔬菜皮環(huán)保酵素(1組、2組、3組)中，2組(火龍果皮)全氮最高(4.53g/kg),其次是1組(蘋果皮，4.02 g/kg)，最低是3組(茄子皮，3.05 g/kg)(圖2)。發(fā)酵6個月后置于冰箱保存1 a的蔬菜皮環(huán)保酵素(4組)，其全氮含量最高，為4.72 g/kg；對應的3組同樣原料環(huán)保酵素(發(fā)酵6個月)全氮含量為3.05 g/kg。表明：由同樣蔬菜皮制得的環(huán)保酵素，置于冰箱內存放1 a再使用，對土壤全氮的增加量提高1.30倍。說明冰箱存放并不影響環(huán)保酵素活性，而且活性增強。

圖2 不同原料和保存期環(huán)保酵素澆灌土壤全氮含量比較圖Fig.2 Total nitrogen comparison of soil irrigated by garbage enzyme made by various materials with different storage time

對照組土樣的全氮含量在試驗期間輕微變化，并于第4周后達到1.76 g/kg，接近背景值(1.78 g/kg)。第1周，對照組0組的全氮含量(1.48 g/kg)低于背景值(1.78 g/kg)，是因為澆灌的沖淋作用導致土壤全氮含量一定程度的流失。隨后，全氮含量逐漸回升，并于第1周后，接近試驗土樣背景值，這種變化僅與澆灌效應有關。

4 討論

環(huán)保酵素中的生物活性酶包括水解酶、淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶。微生物菌群主要為乳酸菌、酵母菌、霉菌，其中功能菌有纖維素降解菌、硝化細菌等[11]。用一定比例的環(huán)保酵素稀釋液澆灌土樣，可提高土壤全氮含量，因為土壤中存在兩種相對的作用[12]。環(huán)保酵素含有的厭氧菌具有反硝化作用可減少土壤全氮。通過反硝化作用，硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽，進一步在微生物的作用下生成氨氣。另一方面，環(huán)保酵素中的微生物可進行氨化作用，即有機質被礦化，有機氮被分解為氨氣(或銨離子形式)，進而提高土壤全氮含量。在這兩方面的共同作用下，用具有一定稀釋比的環(huán)保酵素稀釋液澆灌土樣，試驗土樣的全氮含量隨澆灌時間的增長表現出逐漸提高的趨勢，并在四周后達到最高值。制作環(huán)保酵素的原料不同，發(fā)酵產物的微生物種群和活性酶的組成和含量也不同。三種原料中，由火龍果皮制作的環(huán)保酵素具有較高活性。環(huán)保酵素制成后，置于冰箱存放(1 a)并不影響環(huán)保酵素活性。在低溫保存過程中，環(huán)保酵素仍持續(xù)釋放活性物質，所以一定的保存期可增加其活性。

5 總結

研究結果表明：環(huán)保酵素可以有效影響土壤全氮含量；隨著澆灌時間的延長，土壤全氮含量逐漸增長。發(fā)酵6個月后于冰箱內保存1 a的蔬菜皮環(huán)保酵素，澆灌四周后全氮含量最高，其對土樣全氮含量的影響最大。發(fā)酵6個月的3種環(huán)保酵素中，火龍果皮環(huán)保酵素具有較高的活性，其次是蘋果皮，最后是蔬菜皮。由同樣蔬菜皮制得的環(huán)保酵素，發(fā)酵6個月后使用和冰箱內存放1 a再使用，后者對土壤全氮含量的影響變強，說明存放并不影響環(huán)保酵素中的活性酶活性。

環(huán)保酵素與環(huán)境相容，其制作方法簡單、且制造過程不使用任何化學合成物質，無二次污染。自制環(huán)保酵素使生活垃圾減量化、資源化。環(huán)保酵素在生活中有很多用途，更可被應用于環(huán)境污染治理領域。環(huán)保酵素具有生態(tài)效益和社會效益，適宜大力推廣。